合成氨工艺设计的现状及其发展.docx

合成氨工艺设计的现状及其发展.docx

《合成氨工艺设计的现状及其发展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《合成氨工艺设计的现状及其发展.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

合成氨工艺设计的现状及其发展

合成氨的现状及其发展趋势

关键字

合成氨工艺技术现状发展前景看法

摘要

由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以"天然气、轻油、重油、煤"作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化，绝大多数目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。

我国目前的合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨的技术。

目前合成氨在与国际接轨后，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。

根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕"降低生产成本、提高运行周期，改善经济性"的基本目标，进一步集中在"大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行"等方面进行技术的研究开发。

正文

1、合成氨装置的结构调整

   由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以"天然气、轻油、重油、煤"作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。

基于装置经济性考虑，"轻油"和"重油"型合成氨装置已经不具备市场竞争能力，绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。

其结构调整包括原料结构、产品结构调整。

由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍，以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点，煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位，形成与天然气共为原料主体的格局。

   原料结构调整主要是"油改气"（利用部分氧化工艺将原料改为天然气）和"油改煤"（利用煤气化工艺将原料改为煤或石油焦）。

原料结构调整方案中主要考虑的是资源条件及其地理位置，以经济效益（包括装置投资、操作费用、生产成本）为标准进行确定。

天然气是合成氨装置最理想的原料，且改造时改动量最小、投资最省，应以优先考虑；但如果不具备以天然气为原料的基本条件（资源和地理位置），则以"原料劣质化"为主，进行"煤代油"或"渣油劣质化"的技改。

为了尽可能地增大投资效益，可以适当扩大气化部分的规模，通过"配气方案"实现氮肥-C1化工及其衍生物产品的联合生产，以实现产品结构的调整。

这样不仅联合生产装置投资较低，而且能够实现合成气的有效合理利用，操作费用和生产成本将会大幅度降低，经济上将更加具有竞争力。

   目前上述结构调整工程已经开始实施，由于资源条件及其地理位置的原因，对轻油型合成氨装置进行了"油改煤"的技术改造，而重油型合成氨装置则进行了"油改气"技术改造，并取得了预期效果，有力地推动了天然气部分氧化工艺技术和煤气化工艺技术的进步。

  1.1"油改气"

   天然气制氨装置一般采用蒸汽转化技术，但采用此技术来改造基于部分氧化工艺的重油气化装置，则远不如采用天然气部分氧化技术更为合理。

采用天然气部分氧化技术，不仅可以利用现有的气化炉调整操作、改造烧嘴，而且投资少、改造难度小、改造周期短、总体经济性好。

另外天然气部分氧化技术易于实现大型化，逐渐为行业所公认。

   Texaco公司天然气部分氧化工艺技术在我国宁夏、新疆2套Texaco重油气化制氨装置上应用改造成功，其主要改造内容是设置天然气压缩机、更换烧嘴、改造低温甲醇洗工序、调整工艺操作参数。

   中国石化宁波工程公司天然气部分氧化工艺技术在我国兰州Shell重油气化制氨装置上应用改造成功，其主要改造内容是设置天然气压缩机、更换烧嘴、改造低温甲醇洗工序、调整工艺操作参数。

   1.2"油改煤"

   煤气化技术的成功商业化为合成氨装置的原料结构调整奠定了坚实的技术基础。

相关的改造内容包括：

新建煤气化（合成气制备）部分和新建合成气净化部分。

   1）：

煤气化。

成熟且有竞争力的煤气化工艺主要是以Texaco为代表的水煤浆气化和以Shell为代表的粉煤气化工艺，这两类煤气化工艺均是成熟的，都有大型专利工厂。

水煤浆气化工艺生产的粗合成气已用于循环联合发电，化肥、甲醇等生产，粉煤气化工艺仅用于循环联合发电，两者各具特色。

   2）：

合成气净化。

本部分的关键问题在于确定CO变换、酸性气体脱除、气体精制等工序的合理流程组合形式。

其中，CO变换工艺的选择是合成气净化工艺技术选择的首要问题。

   CO变换工艺技术分为非耐硫变换和耐硫变换2种，而这2种变换工艺的选择将直接影响后续酸性气体脱除工序、气体精制工序的流程组合。

   煤气化的变换气具有硫、CO2含量高，分压大的特点。

根据变换气的工艺条件，采用物理吸收法比较有利。

物理吸收法中按照吸收温度的不同，一般分为冷法和热法。

冷法则以Lurgi、Linde低温甲醇洗法为代表，热法以Selexol工艺最为著名。

   脱硫脱碳气体的精制既可以采用"热法精制"（甲烷化工艺），亦可以采用"冷法精制"（低温液氮洗或深冷净化工艺），两者各有优势。

   3）:

工艺技术改造方案

   新建煤气化工序。

采用煤气化工艺，生产合成气。

   新建空气分离工序。

采用全低压、内压缩空分工艺，为煤气化工序提供工艺氧气和高、中、低压氮气。

   新建耐硫变换工序。

采用三段耐硫变换工艺（耐硫中变+耐硫低变），进行合成气的高浓度CO变换。

   新建酸性气体脱除工序。

采用低温甲醇洗净化工艺，进行变换气的脱硫脱碳净化，以脱除变换气中的H2S、COS和CO2；并采用两级克劳斯脱硫+SCOT工艺，处理低温甲醇洗工序中的H2S尾气。

   改造和利用甲烷化工序。

对原有装置的甲烷化工序进行适当的改造，采用热法精制（甲烷化）工艺进行净化气的精制，除去净化气中微量的CO和CO2。

   利用氨合成及冷冻工序。

利用原有装置的氨合成及冷冻工序，进行氨合成，生产液氨作为尿素装置的原料。

   新建产品结构调整的相应工艺生产单元。

2、我国合成氨技术的基本状况

   我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。

目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右，氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。

   2.1 大型氮肥装置

   我国目前有大型合成氨装置共计34套，生产能力约1000万t/a；其下游产品除1套装置生产硝酸磷肥之外，均为尿素。

按照原料类型分：

以天然气（油田气）为原料的17套，以轻油为原料的6套，以重油为原料的9套，以煤为原料的2套。

除上海吴泾化工厂为国产化装置外，其他均系从国外引进，按照专利技术分：

以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺（10套）、Kellogg-TEC工艺（2套）、Topsoe工艺（3套），及20世纪90年代引进的节能型AMV工艺（2套）、Braun工艺（4套）、KBR工艺（1套）；以渣油为原料的Texaco工艺（6套）和Shell工艺（3套）；以煤为原料的Lurgi工艺（1套）和Texaco工艺（1套），荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。

   20世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以"节能降耗"和"扩能增产"为目的的两轮与国外装置类似的技术改造，合成氨能耗由41.87GJ/t降至33.49GJ/t，生产能力提高了15%-22%；轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改，将能耗降至37.2GJ/t，生产能力提高了15%左右。

20世纪80年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10%的改造，主要改造内容是气化装置增设第3系列，空分工艺改为分子筛流程，目前已经具备了实现1100万t/a合成氨的条件。

   20世纪90年代，在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下，为了改善装置的经济性，多套装置开始进行以"原料结构和产品结构调整"为核心内容的技术改造，原料结构调整包括轻油型装置的"油改煤"（采用Shell或Texaco煤气化工艺，以煤替代轻油）、渣油型装置的"油改气"（采用天然气部分氧化工艺，以天然气替代渣油）或"渣油劣质化"（使用脱油沥青替代渣油）；产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。

   2.2 中、小型氮肥装置

   我国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万t/a；其下游产品主要是尿素和硝酸铵；其中以煤、焦为原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置有12套。

目前有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3000万t/a；其下游产品原来主要是碳酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。

原料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%。

   我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1000万t/a，只占我国合成氨总能力的1/4左右，因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。

在此过程中，研究开发了许多工艺技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高，包括：

合成气制备、CO变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。

3.合成氨技术未来发展趋势

   根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕"降低生产成本、提高运行周期，改善经济性"的基本目标，进一步集中在"大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行"等方面进行技术的研究开发。

   3.1未来合成氨装置的主流发展方向

   单系列合成氨装置生产能力将从2000t/d提高至4000-5000t/d；以天然气为原料制氨吨氨能耗已经接近了理论水平，今后难以有较大幅度的降低，但以油、煤为原料制氨，降低能耗还可以有所作为。

   ①在合成氨装置大型化的技术开发过程中，其焦点主要集中在关键性的工序和设备，即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。

   a.合成气制备。

天然气自热转化技术和非催化部分氧化技术将会在合成气制备工艺的大型化方面发挥重要的作用。

Topsoe公司和Lurgi公司均认为ATR技术是最适合大型化的合成气制备技术，并推出了基于此的大型化制氨工艺技术。

Texaco、Shell和中国工程公司则研发非催化部分氧化技术，为合成气制备工艺的大型化进行技术准备。

   b.合成气净化技术。

以低温甲醇洗、低温液氮洗为代表的低温净化工艺，有可能在合成气净化大型化中得以应用。

   c.氨合成技术。

以Uhde公司的"双压法氨合成工艺"和Kellogg公司的"基于钌基催化剂KAAP工艺"，将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。

   d.合成气压缩机。

针对大型化的合成气压缩机正在开发之中，以适用于未来产量可能高达3000-5000t/d甚至更高的装置。

   ②在低能耗合成氨装置的技术开发过程中，其主要工艺技术将会进一步发展。

   a.合成气制备工艺单元。

预转化技术、低水碳比转化技术、换热式转化技术。

   b.CO变换工艺单元。

等温CO变换技术（以Linde公司的等温变换塔ISR为代表，催化床层内装U型旁管或其他型式散热设备，管内走锅炉给水，逆向流动；控制反应床层温度不超过250℃，达到降低CO之目的），低水气比CO变换技术。

   c.CO2脱除工艺单元。

无毒、无害、吸收能力更强、再生热耗更低的净化技术。

   d.氨合成工艺单元。

增加氨合成转化率（提高氨净值），降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量。

开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件；开发低压、高活性合成催化剂，实现"等压合成"。

   3.2合成氨装置"改善经济性、增强竞争力"的有效途径

   全球原油供应处于递减模式，正处于总递减曲线的中点，预计到2010年原油将出现自然短缺，需用其他能源补充。

石油时代将逐步转入煤炭（气体）时代，原油的加工产品轻油、渣油的价格也将随之持续升高。

目前以轻油和渣油为原料的制氨装置在市场经济的条件下，已经不具备生存的基础，以"油改气"和"油改煤"为核心的原料结构调整势在必行；借氮肥装置原料结构的调整之机，及时调整产品结构，联产氢气及多种C1化工产品亦是装置改善经济性的有效途径。

   ①洁净煤气化技术。

以Texaco水煤浆气化和Shell粉煤气化为代表的洁净煤技术、以及相应的合成气净化技术，将在"油改煤"结构调整中发挥重要的作用，并在大型化和低能耗方面将会取得重大的进展和实质性的突破。

   ②天然气制合成气技术。

天然气自热转化技术、非催化部分氧化技术，以及相应的合成气净化技术，也将在"油改气"结构调整中发挥重要的作用，并在大型化和低能耗方面将会取得重大的进展和实质性的突破。

   ③联产和再加工技术。

联产氢气和多种C1化工产品及尿素的再加工技术亦将得到高度重视，并在与合成氨、尿素装置的系统集成、能量优化方面取得进展。

   3.3实施与环境友好的清洁生产

   生产过程中不生成或很少生成副产物、废物，实现或接近"零排放"的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。

   3.4提高生产运转的可靠性，延长运行周期   

有利于"提高装置生产运转率、延长运行周期"的技术，包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。

二：

业内人士对我国合成氨工业发展的几点看法

1：

我国合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单系列装置规模较小。

合成氮平均规模为5万t/a，无法适应世界合成氨的发展趋势。

据有关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨装置，合成氮平均规模为40万t/a；美国有50多套合成氨装置，合成氨平均规模30万t/a以上。

近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达130万t/a，该装置属于FertiNitro公司。

FertiNitro公司是委内瑞拉的Pequiven公司、美国的Koch工业公司、意大利的Snamprogett公司以及委内瑞拉的EmpresasPolar公司的合资企业，该公司还有1套150万t/a颗粒尿素装置，产品主要出口美国、墨西哥和中南美诸国。

2：

目前我国化肥生产厂原料组成气、油、煤比例小。

大致为14％、22％和65％。

由于原料在成本构成中占有很大比重，因此要提高国际市场竞争力，首要的是选用价格较低的原料，不再新建以煤、油为原料的大型合成氨装置。

对现有以天然气为原料的，要保证原料供应，有条件的要进行挖潜改造，提高装置规模；以油为原料的合成氨装置要改为以天然气为原料；对于以无烟煤或焦炭为原料，采用固定层间歇气化的中小型厂，有天然气资源的，要改为以天然气为原料，没有天然气资源的，特别是远离原料煤产地的企业，要加快推广富氧连续气化、碎煤或煤粉加压气化技术。

3：

中型合成氨装置必须进行改造。

中型合成氨装置设备效率低是主要矛盾，技术改造主要是提高设备效率，不要盲目扩大设备能力。

我国的中型合成氨装置基本上都是我国自行设计、自己制造设备建设起来的，国外没有这方面的实践和投入，因此中型合成氨装置技术改造应以国内技术为主。

建议采用2001年中国氮肥工业协会推荐的新技术、新产品和新设备，这些新技术、新产品和新设备经企业使用证明是有效。

4：

必须压小保大。

我国长期以来对化肥企业实行了多项优惠政策，特别是对小化肥企业免征增值税，从2002年起国家对小氮肥的尿素生产企业开始征收增值税。

2002年全征退50％，2003年全征。

这一税收政策的实行，对小氮肥生产尿素企业来说，则意味着2002年成本增加30－50元/吨（进项税抵消后），2003年开始成本增加80－100元/吨（进项税抵消后）。

这说明国家已下决心压小保大，腾出有限的市场空间，净化现有的市场格局。

这也是很多工业行业成功的做法。

对现有大中型氮肥企业进行资产重组，建立若干个大型化肥企业集团。

从地域看，建立几个区域性大型化肥企业集团是可行的，这些产品一致、市场趋同的企业应该探索走联合发展的路子，建立大型化肥企业集团，实现资源最优配置，以发挥整体优势。

而自然淘汰下来的小型合成氨企业可为单一元素基础肥料进行二次加工，生产市场需求的各种专用或多功能肥料化肥，由于自然淘汰下来的小型合成氨企业遍布各地，直接面向市场，可形成化肥加工、销售、服务一条龙系统。

5：

原料占了合成氨生产成本的75%。

由于原料来源困难和价格高，一些厂将调整原料结构，有天然气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原料。

但煤和天然气也将受国内、国际价格的影响，也不能完全靠一种原料，要保证装置也`要适用天然气、煤（焦）、轻油和重油等原料。

2001年6月以来，国务院打击各地关停后又私开的小煤矿，致使煤炭价格大幅度上涨，到目前为止煤炭价格每吨上涨近百元；另外，我国化肥工业布局存在靠近市场、远离原料产地的现象，加上公路运输禁止超限，原料长距离运输费用增高，拿尿素来说，每吨成本上升至少100元以上。

国家对化肥运输实行优惠运价，国家规定的1000千米的尿素运输价为23.4元，加上装卸费合计不到50元／吨，而"西气东输"至上海的输送价为0.884元／m3，每1000千米约为0.21元，每吨尿素消耗的天然气的输送费用为126元／千千米，高于尿素的运输成本。

因此，对化肥而言，输气不如输产品，氮肥装置应建设在天然气资源产地，天然气价格也是制约合成氨项目成败的主要因素之一。

6：

国际上基本以高浓度化肥为主。

而近年来发达国家化肥生产主要以复合肥料为主，英国复合肥料占80％、美国占65％、法国占61％、日本占55％，并正在进一步向多功能、专用化方向发展。

因此必须调整下游产品结构，生产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要。

我国氮肥中高浓度的尿素、硝酸铵约占56％，低浓度的碳铵、硫酸铵等占40％，复合肥、专用肥比例小，跟不上农业生产对化肥需求的变化。

参考文献：

✓蒋德军;张骏驰;庞睿;;世纪之交世界合成氨和尿素技术进展综述[J];当代石油石化;2006年06期

✓赵骧;下世纪初制氨催化剂需求预测[J];工业催化;1998年04期

✓陈运根,刘华彦,孙勤,程榕,贾继宁;氨合成工艺技术的新进展[J];化肥工业;2002年05期

✓李贵贤,崔锦峰,张建强,张汉鹏,索继栓;天然气制氨工艺技术比较与进展[J];化肥工业;2004年01期

✓顾志诚;布朗工艺的发展及在中国的现状[J];大氮肥;1998年05期

✓沈之宇,张庆武,阎镜予,薛美盛,吴刚,孙德敏;合成氨生产系统的两步逐级正交优化[J];中国科学技术大学学报;2005年02期

✓李彬;氨复合吸附剂的制备研究[D];四川大学;2007年

✓谢亚红;烧绿石及萤石型高温质子导体合成及其在电化学合成氨中的应用[D];新疆大学;2005年

✓王本辉;氧化物—盐复合电解质的制备及其在电化学合成氨中的应用[D];新疆大学;2006年

✓王辉;沧州大化扩能改造项目经济评价研究[D];天津大学;2006年

✓张援越;天然气非催化制合成气的模拟计算及工艺优化[D];天津大学;2006年

✓李俊成;合成氨装置能耗分析及流程模拟[D];兰州大学;2007年

✓意大利试验低压法合成氨并改进尿素的合成工艺[J];山西化工;1982年01期

✓冯玉文;;碎煤加压气化合成氨工艺[J];山西化工;1982年03期

✓陈恒伟;建立第二氨合成系统回收合成弛放气[J];现代化工;1983年05期

✓龙兴茂;合成氨的技术进步及展望[J];压力容器;1987年02期

✓王树中;;LCA——当代世界合成氨工业的最新成就[J];云南化工;1989年02期

✓王印澜;;大型氨厂的节能——国外合成氨工艺的进展[J];应用化工;1990年05期

✓石天宝;合成氨生产中的现代转化工艺[J];现代化工;1993年06期

✓牛继舜;Kelogg合成氨工艺进展[J];大氮肥;1996年05期

目录

一：

合成氨工艺技术及其现1

1、合成氨装置的结构调整1

1.1"油改气"2

1.2"油改煤"3

2、我国合成氨技术的基本状况5

2.1 大型氮肥装置5

2.2 中、小型氮肥装置6

3.合成氨技术未来发展趋势7

3.1未来合成氨装置的主流发展方向7

3.2合成氨装置"改善经济性、增强竞争力"的有效途径8

3.3实施与环境友好的清洁生产9

3.4提高生产运转的可靠性，延长运行周期9

二：

业内人士对我国合成氨工业发展的几点看法9

1：

我国合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单系列装置规模较小。

9

2：

目前我国化肥生产厂原料组成气、油、煤比例小10

3：

中型合成氨装置必须进行改造10

4：

必须压小保大10

5：

原料占了合成氨生产成本的75%11

6：

国际上基本以高浓度化肥为主12

参考文献12